सिग्नस X-3: छिपा हुआ अल्ट्रालुमिनस एक्स-रे स्रोत

आधी सदी से भी अधिक समय तक, हमारी आकाशगंगा के सबसे शक्तिशाली एक्स-रे इंजनों में से एक सबकी आँखों के सामने मौजूद था, और लगभग किसी ने भी उसे उसके असली रूप में नहीं पहचाना। सिग्नस X-3 (Cygnus X-3) की खोज 1967 में हुई थी, खगोलविदों की पीढ़ियों ने इसका अध्ययन किया, और इसे एक चमकीले मगर साधारण एक्स-रे द्विज तारे (X-ray binary) के रूप में सूचीबद्ध किया गया। फिर, 2023 और 2024 में, NASA की एक छोटी दूरबीन ने, जो इसके प्रकाश में आए मोड़ को मापती थी, यह उजागर किया कि हम इस पूरे समय इस पिंड को तिरछे कोण से देख रहे थे। अपने ही बनाए एक कीप (funnel) के पीछे छिपा, सिग्नस X-3 अब तक खोजे गए सबसे चमकीले आकाशगंगा-बाह्य एक्स-रे स्रोतों की बराबरी करता निकला। और इसके केंद्र में एक ऐसा पिंड बैठा है जिसकी मूल पहचान को हम आज भी निर्धारित नहीं कर पाए हैं।

प्रमाणित तथ्य

सिग्नस X-3 का पहली बार पता एक रॉकेट उड़ान के दौरान चला और 1967 में रिकार्डो जियाकोनी (Riccardo Giacconi) तथा सहयोगियों ने इसकी रिपोर्ट दी, जिससे यह अब तक पहचाने गए सबसे शुरुआती ब्रह्मांडीय एक्स-रे स्रोतों में से एक बन गया (Phys.org)। यह सिग्नस (Cygnus) तारामंडल में स्थित है, जिसकी दूरी का अनुमान विभिन्न रूप से लगभग 24,000 से 32,000 प्रकाश-वर्ष (लगभग 7.4 से 9.7 किलोपारसेक) लगाया गया है, और यह मिल्की वे की चकती (plane) में गहराई में स्थित है तथा बीच में मौजूद गैस और धूल के कारण भारी रूप से लालिमायुक्त (reddened) हो गया है (A&A, Veledina et al. 2024)।

यह तंत्र एक द्विज (binary) है: एक सघन पिंड (compact object) एक विशालकाय साथी तारे के साथ एक कसी हुई कक्षा में बँधा हुआ है। वह कक्षा असाधारण रूप से छोटी है—केवल 4.8 घंटे की, जो किसी भी ज्ञात एक्स-रे द्विज तारे की सबसे छोटी कक्षाओं में से एक है (A&A, Veledina et al. 2024)। साथी तारा एक वुल्फ-रेये तारा (Wolf-Rayet star) है—एक दुर्लभ, हाइड्रोजन से रहित, तप्त विशालकाय तारा जो अपने जीवन के अंत के निकट है। महत्वपूर्ण बात यह है कि सिग्नस X-3 हमारी पूरी आकाशगंगा का एकमात्र पुष्ट एक्स-रे द्विज तारा है जिसका दाता तारा (donor) वुल्फ-रेये है (MNRAS Letters, Zdziarski et al. 2013)। इसका सघन साथी किसी सुव्यवस्थित संग्रहण चकती (accretion disk) से नहीं, बल्कि दाता तारे की प्रचंड तारकीय वायु (stellar wind) से पोषित होता है।

सिग्नस X-3 एक माइक्रोक्वासर (microquasar) भी है—एक तारकीय-द्रव्यमान वाला तंत्र जो आपेक्षिकीय जेट (relativistic jets) प्रक्षेपित करता है, ठीक वही भौतिकी जो आकाशगंगाओं के केंद्रों में मौजूद विशाल ब्लैक होलों में देखी जाती है, बस छोटे पैमाने पर। इसका पहला अभिलेखित विशाल रेडियो प्रस्फोट (radio flare), 1972 में, इस स्रोत को लगभग एक हज़ार गुना चमका गया (Phys.org)। तब से बहुत-लंबे-आधार इंटरफेरोमेट्री (very-long-baseline interferometry) ने तेज़ी से गतिमान जेट संरचनाओं को सुलझाया है, और 2009 में फर्मी (Fermi) तथा AGILE उपग्रहों ने इस तंत्र से उच्च-ऊर्जा गामा किरणों का पता लगाया—यह प्रमाण कि यह कणों को अत्यधिक ऊर्जाओं तक त्वरित करता है (arXiv, Veledina et al. 2023)।

मुख्य खोज NASA के इमेजिंग एक्स-रे पोलरिमेट्री एक्सप्लोरर (Imaging X-ray Polarimetry Explorer, IXPE) से आई। IXPE एक्स-रे प्रकाश के ध्रुवीकरण (polarization)—उसके अभिविन्यास—को मापता है, एक ऐसा गुण जिसे पहले की दूरबीनें नहीं पकड़ सकती थीं। इसने पाया कि सिग्नस X-3 की एक्स-रे अत्यधिक ध्रुवीकृत हैं, लगभग 25% तक और ऊर्जा से लगभग स्वतंत्र, जिसका ध्रुवीकरण इसके रेडियो जेटों की दिशा के लगभग ठीक लंबवत अभिविन्यासित है (MNRAS Letters, Veledina et al. 2023)। यह ज्यामिति इस बात का चिह्न है कि प्रकाश सीधे हमारी ओर बहने के बजाय एक सँकरी कीप से होकर उछलते हुए बाहर निकल रहा है। टीम ने निष्कर्ष निकाला कि केंद्रीय इंजन एक प्रकाशिक रूप से सघन (optically thick) बहिर्वाह के पीछे छिपा है, जिसका उद्घाटन कोण (opening angle) लगभग 32 डिग्री या उससे कम है, और हम इस तंत्र को लगभग 27.5 डिग्री के झुकाव (inclination) पर देखते हैं (A&A, Veledina et al. 2024)।

इसका परिणाम चौंका देने वाला है। सिग्नस X-3 की प्रतीयमान (apparent) एक्स-रे चमक लगभग 10³⁸ अर्ग प्रति सेकंड है—चमकीली, मगर असाधारण नहीं। इसे अवरोधक कीप के लिए सुधारने पर, इसका आंतरिक (intrinsic) उत्पादन 5.5 × 10³⁹ अर्ग प्रति सेकंड से अधिक हो जाता है (A&A, Veledina et al. 2024)। यह इसे दृढ़ता से अल्ट्रालुमिनस एक्स-रे स्रोतों (ultraluminous X-ray sources, ULXs) की श्रेणी में रखता है—एक ऐसा वर्ग जो ऐतिहासिक रूप से अन्य आकाशगंगाओं में पाया गया है और जिस पर लंबे समय से असामान्य भौतिकी छिपाए रखने का संदेह रहा है। जैसा कि IXPE के खोजकर्ताओं ने कहा, सिग्नस X-3 एक "छिपा हुआ" गैलेक्टिक ULX है: एक आकाशगंगा-स्तरीय इंजन जिसे उसके अपने बहिर्वाह की ज्यामिति दशकों से ढके हुए थी (Caltech Library)।

असली अनसुलझा प्रश्न

यहाँ वह रहस्य है जो इस सारी प्रगति के बावजूद जीवित बचा रहता है: हम नहीं जानते कि सघन पिंड वास्तव में क्या है।

लगभग छह दशकों के अवलोकन के बावजूद, खगोलविद विश्वास के साथ यह नहीं कह सकते कि सिग्नस X-3 के हृदय में एक न्यूट्रॉन तारा (neutron star) है या एक ब्लैक होल (black hole)। समस्या मूलभूत है। सघन वुल्फ-रेये वायु इस तंत्र को दबा देती है, और छोटी, वायु-पोषित कक्षा सामान्य विधि—साथी तारे की गति का अनुसरण कर अदृश्य पिंड का भार आँकना—को असाधारण रूप से कठिन बना देती है। यहाँ कोई विश्वसनीय द्रव्यमान फलन (mass function) नहीं है (MNRAS Letters, Zdziarski et al. 2013)।

एक सावधानीपूर्वक किए गए विश्लेषण ने सघन पिंड का अनुमान लगभग 2.4 सौर द्रव्यमान (solar masses) लगाया, जिसकी अनिश्चितता सीमा (+2.1, −1.1) इतनी चौड़ी है कि वह या तो एक भारी न्यूट्रॉन तारे या एक हल्के ब्लैक होल, दोनों की अनुमति देती है (MNRAS Letters, Zdziarski et al. 2013)। वह द्रव्यमान ठीक दोनों श्रेणियों के बीच के तथाकथित "द्रव्यमान अंतराल (mass gap)" में बैठता है—एक ऐसा क्षेत्र जहाँ प्रकृति बहुत कम पिंड उत्पन्न करती प्रतीत होती है, जो सिग्नस X-3 को और भी अधिक उत्तेजक बना देता है। हमने इस तंत्र की दूरी, इसकी कक्षा, इसके जेट, इसका ध्रुवीकरण, और अब इसकी वास्तविक चमक माप ली है। केवल एक चीज़ जिसे हम नहीं पढ़ पा रहे, वह है इस सबको चलाने वाले इंजन की पहचान।

सिद्धांत और व्याख्याएँ

नीचे दी गई बातें वैज्ञानिक व्याख्याएँ हैं, जो ऊपर दिए गए मापों से स्पष्ट रूप से भिन्न हैं।

एक हल्का ब्लैक होल। (अटकल, हालाँकि कई शोधकर्ता इसी मत की ओर झुकते हैं।) सिग्नस X-3 का व्यापक-बैंड (broadband) व्यवहार—इसकी वर्णक्रमीय अवस्थाएँ (spectral states), रेडियो और अवरक्त (infrared) चिह्न, और जेट गतिविधि—विशिष्ट न्यूट्रॉन-तारा तंत्रों की तुलना में ज्ञात ब्लैक-होल द्विज तारों से अधिक मिलता-जुलता है। कुछ विश्लेषण लगभग 2 से 4.5 सौर द्रव्यमान के एक निम्न-द्रव्यमान ब्लैक होल के पक्ष में तर्क देते हैं (MNRAS Letters, Zdziarski et al. 2013)। यदि यह सच है, तो यह अब तक ज्ञात सबसे हल्के तारकीय ब्लैक होलों में से एक होगा।

एक भारी न्यूट्रॉन तारा। (अटकल।) द्रव्यमान अनुमान भौतिकी द्वारा अनुमत ऊपरी छोर के निकट एक न्यूट्रॉन तारे की संभावना को बाहर नहीं करते। निश्चित प्रमाण के लिए संभवतः न्यूट्रॉन-तारे के विशिष्ट चिह्नों का पता लगाना होगा, जैसे एक्स-रे स्पंदन (X-ray pulsations) या तापनाभिकीय प्रस्फोट (thermonuclear bursts)—जिनमें से कोई भी दृढ़ता से स्थापित नहीं हुआ है।

एक सुपर-एडिंगटन कीप। (IXPE आँकड़ों द्वारा समर्थित व्याख्या।) "छिपे हुए ULX" स्थिति की प्रमुख व्याख्या यह है कि पदार्थ सघन पिंड पर इतनी तेज़ी से गिरता है कि विकिरण दाब (radiation pressure) सामान्यतः जितनी अनुमति देता है उससे अधिक, जिससे एक प्रकाशिक रूप से सघन, शंकु-आकार का बहिर्वाह उड़ने लगता है। संयोगवश हम उस कीप में तिरछे कोण से झाँकते हैं, और चकाचौंध कर देने वाले कोर के बजाय बिखरा हुआ प्रकाश देखते हैं (A&A, Veledina et al. 2024)। यह सिग्नस X-3 को उसी अत्यधिक संग्रहण (extreme accretion) के लिए एक दुर्लभ स्थानीय प्रयोगशाला बना देगा, जिसके बारे में माना जाता है कि वह दूरस्थ ULXs को शक्ति देती है।

एक भावी गुरुत्वाकर्षण-तरंग स्रोत। (दीर्घकालिक विकास के बारे में अटकल।) चूँकि कक्षा इतनी कसी हुई है और वुल्फ-रेये दाता तारा इतना विशाल है, कुछ ने इस तंत्र को एक विलीन होते सघन द्विज तंत्र (merging compact binary) के संभावित पूर्वज (progenitor) के रूप में प्रस्तावित किया है। जैसे-जैसे दाता तारा द्रव्यमान त्यागता है, कक्षीय अवधि धीरे-धीरे बढ़ रही है, लगभग 850,000 वर्षों के समय-मान पर (arXiv, Bhargava et al. 2017)।

सिग्नस X-3 का स्थायी सबक विनम्र कर देने वाला है: किसी पिंड का पचास वर्षों तक अध्ययन किया जा सकता है और फिर भी वह अपना सबसे बुनियादी रहस्य छिपाए रख सकता है। अब हम जानते हैं कि यह एक भेस धारण किया हुआ गैलेक्टिक महाशक्तिशाली पिंड है। हम अब भी नहीं जानते कि नियंत्रण किसके हाथ में है।

स्रोत और आगे पढ़ने के लिए

• Veledina et al. (2024), "Ultrasoft state of microquasar Cygnus X-3," Astronomy & Astrophysics — https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/08/aa51356-24/aa51356-24.html
• Veledina et al. (2023), "The innermost jet in the hidden ultra-luminous X-ray source Cygnus X-3," MNRAS Letters — https://academic.oup.com/mnrasl/article/526/1/L1/7236871
• arXiv preprint of Veledina et al. (2023) — https://arxiv.org/pdf/2308.01002
• Caltech Library: "Cygnus X-3 revealed as a Galactic ultraluminous X-ray source by IXPE" — https://authors.library.caltech.edu/records/xyd1j-66r19
• Zdziarski et al. (2013), "Cyg X-3: a low-mass black hole or a neutron star," MNRAS Letters — https://academic.oup.com/mnrasl/article/429/1/L104/1107642
• Phys.org (2016), "Giant radio flare of Cygnus X-3 detected by astronomers" — https://phys.org/news/2016-12-giant-radio-flare-cygnus-x-.html
• Bhargava et al. (2017), "A precise measurement of the orbital period parameters of Cygnus X-3," arXiv — https://arxiv.org/abs/1709.07441